Znajdź zawartość

Badacze z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Northwestern University odkryli, że po zawieszeniu w roztworze pospolite bakterie mogą napędzać mikroskopijne koła zębate. Pozwala to mieć nadzieję na opracowanie zainspirowanych biologią rozwiązań energetycznych, które będą się dynamicznie dostosowywać do zmieniających się warunków. Zdolność okiełznania i kontrolowania mocy bakteryjnego ruchu jest istotnym wymogiem dla dalszego rozwoju napędzanych przez mikroorganizmy biomechanicznych systemów hybrydowych. W tym układzie koła zębate są miliony razy bardziej masywne od samych bakterii – wyjaśnia Igor Aronson. Mikroprzekładnie mają przekątną zaledwie 380 mikronów, wliczając w to także pochyłe "szprychy". Umieszcza się je w roztworze z tlenowymi laseczkami siennymi Bacillus subtilis. Andrey Sokolov z Princeton University, Igor Aronson z Argonne National Laboratory oraz Bartosz Grzybowski i Mario M. Apodaca z Northwestern University zaobserwowali, że bakterie wydawały się pływać w losowych kierunkach, ale od czasu do czasu zderzały się z zębami koła i zaczynały je obracać w oznaczonym kierunku. Przekręcenie przekładni wymagało współpracy kilkuset bakterii. Kiedy obok siebie umieszczano kilka kół, a ich wypustki zazębiały się jak w mechanizmie zegara, mikroorganizmy były w stanie wprawiać je w ruch w przeciwnych kierunkach; w parze jedno kręciło się w prawo, a drugie w lewo. Przekładnie obracały się synchronicznie nawet przez dłuższy czas. Nasze odkrycie demonstruje, jak mikroskopijne czynniki pływające, takie jak bakterie czy wykonane przez człowieka nanoroboty, mogą w połączeniu np. ze stalą czy plastikiem utworzyć inteligentne materiały, które dynamicznie zmienią swoją mikrostrukturę, zreperują uszkodzenia lub zasilą mikrourządzenia – podsumowuje Aronson. Prędkością obrotów kół da się zarządzać, manipulując zawartością tlenu w roztworze. Zmniejszając stężenie gazu, badacze spowalniali ruch bakterii i przekładni. Usunięcie go w całości zatrzymywało działanie mechanizmu. Po wprowadzeniu tlenu do układu bakterie ożywały i na nowo zaczynały pływać.

Zespół uczonych z Columbia University zdał sobie sprawę, że jedna z używanych od paru lat technik może zostać wykorzystana do samoistnego tworzenia nanomechanizmów. Budowanie silników, kół zębatych czy przekładni w skali nano jest bardzo kosztowne i skomplikowane. Tymczasem, jak się okazuje, można wykorzystać do tego celu materiały, które zmieniają kształt pod wpływem temperatury. Zespół Xi Chena postanowił bliżej przyjrzeć się cienkim warstwom metalu naniesionym na polimer PDMS czyli poli(dimetylosiloksan). Naukowcy ogrzewali dysk z PDMS tak długo, aż się rozszerzył, a następnie nanieśli nań cienką warstwę miedzi. Później ochłodzili polimer. Okazało się, że podczas chłodzenia skurczył się on bardziej niż miedź, powodując powstanie ząbkowania w metalu. Dalsze schładzanie polimeru prowadziło do pogłębiania się "ząbków". Chen mówi, że, przynajmniej teoretycznie, tak długo jak warstwa metalu jest równomiernie nałożona, a polimer jest homogeniczny, ochładzanie będzie prowadziło do powstawania regularnego ząbkowania. Z kolei kontrolując grubość warstwy metalu możemy kontrolować ilość ząbków. W ten prosty sposób możemy tworzyć miniaturowe koła zębate. Później wystarczy dodać do całości utwardzacza, który zapobiegnie zmianom wielkości polimeru i wzmocni całość. Dotychczas uczeni wyprodukowali w ten sposób koła o średnicy od 6 do 25 milimetrów. Chen chce wkrótce rozpocząć eksperymenty w znacznie mniejszej skali. Podkreśla, że jego zespół nie powiedział jeszcze ostatniego słowa. Tworzenie pojedynczych kół zębatych nie jest szczególnie interesujące. Naukowiec uważa jednak, że siła nowej techniki polega na możliwości produkowania skomplikowanych zestawów kół zębatych o bardzo różnym kształcie. Wystarczy tylko precyzyjnie kontrolować proces kurczenia się dowolnie wybranej części polimeru.